Membrankontaktzone

Proteine, Lipide und andere zelluläre Bestandteile müssen innerhalb einer Zelle transportiert und verteilt werden, um die Funktionalität zu erhalten. Verschiedene vesikuläre Transportmechanismen sorgen für die Aufnahme von extrazellulärem (Endozytose) und die Sekretion von intrazellulärem Material (Exozytose). Weitere Wege verteilen neu synthetisierte Proteine und Lipide vom Endoplasmatischen Retikulum aus zu anderen Organellen des Endomembransystems. Der nicht-vesikuläre Transport über Membrankontaktzonen gilt heute als ein alternativer Transportweg in Zellen.

Als erstes wurde die MCS zwischen ER und Mitochondrien beschrieben, die auch MAM genannt wird (Englisch: mitochondria-associated membranes). Seitdem wurden weitere Kontaktzonen entdeckt:

• zwischen ER und Plasmamembran, auch PAM genannt (Englisch: plasma membrane-associated membranes),
• zwischen ER und Endosomen
• zwischen ER und Golgi-Apparat
• zwischen ER und Peroxisomen
• zwischen ER und Lipidtropfen

Im Modellorganismus Saccharomyces cerevisiae sind außerdem zwei MCS bekannt, an denen die Vakuole, das funktionelle Äquivalent zu Lysosomen, beteiligt ist. Aktuell ist nicht bekannt, ob es in höheren Eukaryoten verwandte MCS gibt.

• zwischen Nukleus und Vakuole, auch NVJ genannt (Englisch: nucleus-vacuole junction)
• zwischen Mitochondrien und Vakuole, auch vCLAMP genannt (Englisch: vacuole and mitochondria patch)

Membrankontaktzonen sind aktueller Gegenstand der Grundlagenforschung und das Wissen über den genauen Aufbau und die Funktion ist, besonders im Vergleich zum gut verstandenen vesikulären Transport, noch limitiert. Nach heutigen Verständis geht man davon aus, dass alle MCS nach folgendem Prinzip aufgebaut sind:

• MCS sind definiert als Zonen, in denen die gegenüberliegenden, äußeren Membranen der beteiligten Organellen parallel angeordnet sind und einen Abstand von 10 bis 30 nm haben.
• Diese Zone wird physikalisch durch die Interaktion von verschiedenen Proteinen hervorgerufen bzw. aufrechterhalten. Man geht davon aus, dass ein oder mehrere integrale oder periphere Membranproteine beider Membranen dafür einen Komplex ausbilden.

Lipidtransport

Membranlipide werden vornehmlich im ER neu gebildet. Über den vesikulären Transport findet von hier aus immer ein Transfer von Lipiden zwischen den verschiedenen Organellen statt - die Vesikel bestehen schließlich aus Lipiden. Man geht heute aber davon aus, dass ein gerichteter, regulierter Transport so nicht möglich ist. Zudem sind Mitochondrien nicht an den vesikulären Transport angeschlossen, benötigen aber Lipide aus dem ER und bilden selbst Cardiolipin, ein spezielles Phosphoglycerid, das zu anderen Organellen gebracht werden muss.

Eine Hauptfunktion der MCS ist daher der gerichtete intrazelluläre Lipidtransport. Für einige MCS ist bekannt, dann sich spezielle Lipidtransferproteine (LTP) an ihnen anreichern. Diese besitzen eine hydrophobe Tasche, in die sie ein Lipid aus einer Membran aufnehmen können und so über die hydrophile Phase zur anderen Seite transportieren. Durch den engen Kontakt zwischen den Membranen verringert sich die Strecke, die überwunden werden muss, was den Lipidtransfer effizienter macht.

Kalzium-Transport

Besonders die MCS zwischen dem ER und der Plasmamembran ist an der Kalzium-Homöostase beteiligt. In Muskelzellen bildet das sarkoplasmatische Retikulum, eine Sonderform des ERs, umfangreiche Kontakte mit der Plasmamembran der Zellen. Beide Membranen besitzen Kalzium-Kanäle, die den schnellen Einstrom von Kalzium in das Zytosol ermöglichen, worüber die Muskelkontraktion reguliert wird. Der Kontakt zwischen den Organellen ermöglicht eine koordinative Öffnung der Kanäle.

• Elbaz et al. Staying in touch: the molecular era of organelle contact sites. Trends Biochem Sci; 2011
• Helle et al. Organization and function of membrane contact sites. Biochim Biophys Acta; 2013
• Prinz Bridging the gap: Membrane contact sites in signaling, metabolism, and organelle dynamics. J Cell Biol; 2014